Mikrobiomers betydning for danske plantesamfund
Baggrund
Danmark har en lang tradition for at katalogisere biodiversiteten i Danmark og Statens Naturhistoriske Museum huser en af de største samlinger i verden af planter, dyr og svampe. Alle disse makroorganismer er lette at se og forekommer i relativt lavt antal. Indtil for nylig har mikroorganismer derimod været relativt overset fordi de generelt er meget små og for diverse til at identificere i meningsfyldte kategorier som arter. Efterhånden som high-throughput sekvenseringsteknikker er blevet tilgængelige, er det nu blevet muligt at karakterisere hele mikroorganisme samfund på en gang med et stort antal prøver der kan analyseres samtidigt. Med disse teknologier kan vi derfor nu karakterisere den mikrobielle diversitet der er associeret med danske plantesamfund og beskrive hvordan diversiteten varierer på tværs af landet og mellem øerne.
Bakterier, svampe og arkæer udgør et såkaldt mikrobiom og kan interagere med fx. planternes blade (fylosfæren) og rødder (rhizosfæren) (Berendsen et al., 2012; Jin et al., 2013). De organismer der udgør mikrobiomet kan forekomme i stort antal, og endda overgå antallet af celler hos deres værtsorganisme. Mikrobiomet har en lang række funktioner i forhold til værten, fra fordelagtige (symbiotiske) til sygdomsfremkaldende (patogene). På grund af den store påvirkning som mikrobiomet har på deres værtsorganismer, er der en stigende interesse for at opfatte mikrobiomer og deres værter som en samlet enhed i forhold til at forstå hvordan organismer som fx. planter fungerer (Stappenbeck and Virgin, 2016).
Plante associerede mikrobielle samfund kan være meget variable, og forskellige sammensætninger af mikrobiomet påvirker ligeledes deres værtsorganisme forskelligt. Sammensætningen af mikrobiomet bestemmes af en lang række abiotiske faktorer inklusiv jordbundsforhold (Griffiths et al., 2011), klimaforhold (Tedersoo et al., 2014) geografisk afstand (Lilleskov et al., 2004; Bahram et al., 2012) og tid (Barnes et al., 2016).
Muligheden for at studere mikrobiomernes sammensætning på tværs af Danmark rejser en række interessante spørgsmål. For det første, mens det er velkendt at jo større afstand der er mellem to mikrobiomer over sammenhængende landmasser, desto mere varierer de, så ved man endnu ikke hvordan mikroorganismerne varierer mellem fragmenterede landskaber som de øer der udgør Danmark. Endvidere, med den fortsatte vækst af den danske befolkning på cirka 0.4% årligt, øges behovet for landbrug og bebyggelse (Reginster et al., 2010), hvilket uundgåeligt leder til habitat fragmentering og forstyrrelser. Klimaforandring forventes også at øge temperaturen med 3 – 5°C mens 25% mindre regn forventes i fremtidige somre (Energi, forsynings og klima ministeriet, 2010). Vores viden om effekten af klimaforandringerne og de anthropogene forstyrrelser på de plante associerede mikrobiomer er stadig mangelfuld. Mikrobiomer har hurtige generationstider som kan tælles i timer eller dage, mens planter generelt består i flere år. Det må derfor antages at mikrobiomer hurtigere end deres værter kan tilpasse sig ændrede forhold i deres miljø.
Forstyrrelser af plantesamfund har også været koblet med forekomsten af invasive arter (Chytrý et al., 2012), men vi ved ikke meget om effekten på mikrobiomerne, hvilket kan udgøre en potentiel risiko for både mikrobiomer og planter hvis nye sygdomsfremkaldende mikrobiomer introduceres med de invasive arter (Bardgett et al., 2008). Det har fx. allerede været foreslået at askesyge kan have koloniseret det vestlige Europa fra Asien som konsekvens af mildere vintre (Porta et al., 2008). Det er derfor af største vigtighed at få katalogiseret den danske plante associerede mikrobielle diversitet, samt at forstå hvordan klimaforandringer og stigende menneskeskabte forstyrrelser kan påvirke mikrobiomer i fremtiden i Danmark.
Projektet beskrivelse
Mikroorganismer er helt essentielle for den daglige funktion af planter, dyr og mennesker og forstyrrelser i sammensætningen af det såkaldte mikrobiomer kan have fatal betydning for værtsorganismerne. Interaktion mellem planter og mikroorganismer kan hjælpe nedbrydningen og optagelsen af næringsstoffer og forstærke immun forsvaret, mens sygdomsfremkaldende mikroorganismer kan forårsage nogle af de væsentligste økonomiske og socialt betydningsfulde plantesygdomme. Diversiteten af mikroorganismer er enorm, både i antal og forskellighed, og deres uanseelige størrelse har vanskeliggjort fundamental forståelse af deres økologi. Selvom Danmarks vilde natur er en af de bedst studerede i verden, så ved vi stadig meget lidt om hvordan mikrobiomer varierer mellem regioner og på øer.
Endvidere forventes det at mikrobiomerne påvirkes og ændrer sig over tid i takt med øget kultivering og klimaforandringer, med potentielt betydelige konsekvenser for plante vitalitet og økosystemer. Der er derfor et presserende behov for at karakterisere og forstå Danmarks mikrobielle diversitet for at kunne forudsige fremtidige ændringer i planternes mikrobiomer. Dette projekt vil undersøge den relative effekt af ændringer i jordbundsforhold og klimatiske forhold på mikrobiomer fra både blade og rødder af Bredbladet vejbred, Plantago major, populationer indsamlet fra Danmarks hovedregioner og øer. Planters mikrobiomer udviser en høj grad af artsspecificitet og dette studie vil derfor fokusere på en enkelt vidt udbredt planteart med en verdensomspændende distribution. Resultaterne fra projektet vil give os en mere præcis forståelse af hvordan sammensætningen af mikroorganismer reguleres og påvirkes af miljøet. Udover videnskabelige publikationer, indeholder kommunikationsstrategien for projektet også målrettede præsentationer til Science Night 2017 og Botanisk haves dag 2017 og en artikel til det danske magasin Dansk Naturvidenskab.
Desuden vil vi producere en 5-10 min kortfilm der offentliggøres gennem Museets kanaler (Vimeo, Youtube, sociale medier, nyhedsbrev etc.). Kortfilmen skal fortælle både om forskningsprojektet samt om vigtigheden og variationen af mikrobiomer for danske plante samfund.
Formål
- At karakterisere mikrobiomer i blade og rødder fra bredbladet vejbred populationer på tværs af Danmark.
- Kvantificering af den relative effekt af klima, jordbundsforhold og graden af forstyrrelse på plante-associerede mikrobiomer i Danmark.
- Prediktion af hvordan mikrobiomer associeret med danske plantesamfund vil ændre sig som konsekvens af øget arealudnyttelse og klimaforandringer og identifikation af potentielle udfordringer for dansk biodiversitet.
Formålet med dette projekt er at kvantificere den relative betydning af miljøfaktorer og genetisk variation på mikrobiomer. Planters mikrobiomer udviser en høj grad af artsspecificitet og dette studie vil derfor fokusere på en enkelt vidt udbredt planteart med en verdensomspændende distribution for at begrænse effekten af artsvariation og producere en mere specifik analyse af miljøvariable. Bredbladet vejbred, Plantago major, forekommer i huller i asfalten, langs kanten af stier og i marker på tværs af Danmark (Mølgaard 1976; 1986). På trods af dens ry som ukrudt, har den været anvendt gennem historien til sårbehandling og for sine antimikrobielle aktiviteter (Rønsted et al, 2002; 2004; Samuelson, 2000) og er en af de udvalgte danske kulturplanter som er afbildet på Dronningens gobeliner og Flora Danica stellet.
Vejbred findes over det meste af verden og dens succes inspirerede den unge danske botaniker Knud Rahn til at blive verdens førende ekspert i slægten (Rahn 1996). I dette projekt udnytter vi både den mangeårige tradition for dansk forskning i vejbreds slægtskab og økologi, samt dens evne til at trives i et meget bredt udsnit af voksesteder eller habitater udover det danske landskab. Bredbladet vejbred er derfor en oplagt model til forståelse af hvordan plante associerede mikrobiomer varierer på tværs af Danmark.
En naturlig klimatisk gradient løber på langs af Danmark med øget nedbør og faldende temperatur mod nord. Samtidig er der også lokale variationer i nedbør og temperatur mellem de forskellige øer (Energi, forsynings og klima ministeriet, 2010). Til brug for projektet har vi allerede indsamlet 15 populationer fra udvalgte studiesteder der repræsenterer både denne klimatiske variation, og samtidigt repræsenterer en række forskellige voksesteder fra relativt uforstyrrede skovbryn, til by- og landbrugsområder. Samtidigt indsamlede jordprøver vil blive analyseret for surhedsgrad, densitet og mineraler og voksestederne vil blive inddelt i kategorier som udtryk for graden af anthropogen forstyrrelse. Den genetiske variation af planterne er allerede undersøgt vha. Genotyping by Sequencing (GBS) for alle individer i de 15 populationer. Med disse data vil vi derfor kunne kvantificere den relative effekt af klima, jordbundsforhold, forstyrrelsesgrad og værternes genotype på mikrobiomerne i de 15 vejbred populationer.
Status 2018
Mikroorganismer er er helt essentielle for den daglige funktion af planter, dyr og mennesker og forstyrrelser i sammensætningen af det såkaldte mikrobiomer kan have fatal betydning for værtsorganismerne. Interaktion mellem planter og mikroorganismer kan hjælpe nedbrydningen og optagelsen af næringsstoffer og forstærke immunforsvaret, mens sygdomsfremkaldende mikroorganismer kan forårsage nogle af de væsentligste økonomiske og socialt betydningsfulde plantesygdomme.
Diversiteten af mikroorganismer er enorm, både i antal og forskellighed, og deres uanseelige størrelse har vanskeliggjort fundamental forståelse af deres økologi. Selvom Danmarks vilde natur er en af de bedst studerede i verden, så ved vi stadig meget lidt om hvordan mikrobiomer varierer mellem regioner og på øer. Endvidere forventes det at mikrobiomerne påvirkes og ændrer sig over tid i takt med øget kultivering og klimaforandringer, med potentielt betydelige konsekvenser for plante vitalitet og økosystemer. Der er derfor et presserende behov for at karakterisere og forstå Danmarks mikrobielle diversitet for at kunne forudsige fremtidige ændringer i planternes mikrobiomer. Dette projekt vil undersøge den relative effekt af ændringer i jord og klimatiske forhold på mikrobiomer fra både blade og rødder af Bredbladet vejbred, Plantago major, populationer indsamlet fra Danmarks hovedregioner og øer.
Planters mikrobiomer udviser en høj grad af artsspecificitet og dette studie vil derfor fokusere på en enkelt planteart med en verdensomspændende distribution. Projektet startede op 1. oktober 2017 og i løbet af det første år har projektet sekvenseret mikrobiomer fra rødder af populationer fra femten lokationer i Danmark. Foreløbige resultater viser at metoderne virker og at der er signifikant diversitet og variation mellem indsamlingssteder. Mikrobiomer fra bladene er nu ved at blive analyseret og vil sammen med mikrobiomerne fra rødderne blive sammenholdt med klimatiske data og kemiske analyser af jordprøver fra de forskellige voksesteder. Resultaterne fra projektet vil give os en mere præcis forståelse af hvordan sammensætningen af mikroorganismer reguleres og påvirkes af miljøet.
Projekt fakta
Projektdeltagere
Dr. Christopher James Barnes, Statens Naturhistoriske Museum, Københavns Universitet.
Professor Nina Rønsted, Statens Naturhistoriske Museum, Københavns Universitet.
Kontaktperson
Nina Rønsted, Statens Naturhistoriske Museum, København Universitet
Projektforløb
2017 – 2021
Tidsplan
